中国汽车技术研究中心有限公司天津300300
摘要：汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，其功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。转向系统摩擦是转向系统中一个重要的参数，它影响着转向盘力矩对驾驶员的操纵感觉，同时对车辆回正起到一定的影响。本文分析了汽车转向系统摩擦力对转向力和回正力的影响，与此同时，对某一实车进行了转向系统摩擦优化。
关键词：转向系统；摩擦；转向力；回正力
前言
随着时代的进步，汽车已成为现代生活必不可少的出行工具。汽车行业逐步发展的同时，人们对驾驶感觉要求越来越高。转向系统作为影响驾驶感觉的重要部分，得到了越来越多的重视。本文主要是对转向系统中影响驾驶感觉的参数-转向系统摩擦进行分析和优化。
1转向系统介绍
1.1转向系统的类型
转向系统分为机械转向系统和动力转向系统。其中，完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统；借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。动力转向系统可分为液压动力转向系统和电动助力转向系统。
1.2机械转向系统简介
机械转向系统是由驾驶员的力量驱动的，所有这些都是机械的。机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。
1.2.1转向操纵机构
转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成。该功能是将驾驶员的力量由方向盘传向转向器。
1.2.2转向器
转向器是将旋转运动转到直线（或近似直线）运动，同时也是转向系统中的减速装置。目前，常见的有齿轮齿条式、圆球曲柄销式、蜗杆曲柄销式、圆球齿条式、蜗轮式等。
1.2.3转向传动机构
转向传动机构的功能是转向器输出的力和运动传到转向桥两边转向节，使两边转向轮偏转，两个转向轮偏转角按一定关系改变，以确保车轮在汽车方向盘和地面的相对滑动尽可能小。
1.3动力转向系统简介
当转向轴载荷较小时，汽车转向系统使用机械转向装置可以实现顺利转向，当转向轴载荷较大时，仅仅依靠驾驶员的身体力量作为动力就难以转向。动力转向系统是在机械转向系统的基础上形成的，即在机械转向系统上增加了助力装置。采用动力转向系统的汽车转向所需的能量，在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动机驱动的油泵所提供的液压能或者助力电机提供的能量。在正常情况下，驾驶员可以很容易地控制方向盘。然而，当转向装置失效时，它会返回到机械转向系统状态，通常由驾驶员独立承担。
1.3.1液压式动力转向系统
液压动力转向系统由转向液压泵、转向油管、油箱、转向控制阀、转向动力缸等组成。当驾驶员转动方向盘时，转向控制阀会发生变化，使得高压油进入转向器的一侧，推动转向器运动，进而改变汽车的行驶方向。由于转向助力装置的作用，只需比采用机械转向系统时小得多的转向力矩，就能使转向轮偏转。
1.3.2电动助力动力转向系统
电动助力动力转向系统简称电动式EPS或EPS，其在机械转向机构的基础上，增加了信号传感器、电子控制单元和转向助力机构。电动式EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等因素，由电子控制单元完成助力控制，其原理可概括如下：当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转动方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。
2转向机构运动原理
转向机构的简化模型如图1所示，连杆2与汽车方向盘通过万向节连接，连杆2与连杆1之间是以一定的传动比i连接的齿轮齿条副，连杆1与连杆3之间靠转动副4连接，转动副5是连杆3与支架之间的运动副，可将转动副5看做是固定转动副。当转动方向盘时带动连杆2的转动，连杆2的转动带动连杆1平动，通过转动副4、5带动连杆3的转动，进而实现转向。
1.连杆；2.连杆；3.连杆；
4.转动副；5.转动副
图1转向机构简化模型
3转向系统实车测试
电动助力转向系统根据扭杆的变形量由助力电机输出助力，控制转向盘扭矩可得到合适的助力。虽然助力转向系统使得驾驶员转向省力，但转向系统的摩擦力带来的主观感受不可消除，不同的系统摩擦对于不同的车影响不同，所以可以在测试中获取客观数据，调整参数后，主观评价转向力感觉是否合适。同时较大的摩擦力也会降低转向回正的能力。本车型转向力需要有质感、平滑感，回正残余角15°以内。
3.1转向系统齿条力测试
转向系统齿条轴力测试，见图2。
图2转向系统齿条力测试图
以上测试条件，见表1。
车辆最大齿条力5.6kN，符合设计状态。
3.2转向系统摩擦力矩测试
转向系统摩擦力是影响汽车转向力感觉的原因之一，调整摩擦力大小，可以改善整个系统的主观感受。调整摩擦前测试的转向力矩（关闭EPS，转向器外球头与转向节断开），见图3。
图3转向力矩测试图
该车辆转向系统摩擦测试结果为：
左打转向平均力矩：3.8N.m。右打转向平均力矩：3.6N.m
3.3改善转向系统摩擦力矩后测试
电动助力转向系统相对液压助力转向摩擦力主要体现在涡轮蜗杆处，经过改善润滑脂、除尘及微调间隙后，再次测试系统摩擦，见图4。该车辆转向系统摩擦测试结果为：左打转向平均力矩：2.3N.m；右打转向平均力矩：2.2N.m。
图4改善后转向力矩测试图
4转向系统摩擦分析
转向系统摩擦影响着转向盘力矩对驾驶员的操纵感觉，同时对车辆回正起到一定的影响。
4.1摩擦力对于转向力的影响分析
转向力=齿条力+摩擦－助力
仅从力的角度分析，助力电机可以提供额外的助力消除系统摩擦，从而使转向力达到所需的大小。但是，系统摩擦给驾驶员带来的主观感受是不可消除的。
当系统摩擦过小时，驾驶员会感觉到转向力过于空洞，没有丝毫的阻尼感，同时路面的反馈会毫无保留地传递到转向盘上，转向盘频繁的振动抖动令驾驶员感到难受且疲劳。
当系统摩擦过大时，驾驶员会感觉转向力有阻滞、发涩、不顺畅，同时过多地吸收路面反馈会使车辆缺乏路感。
本车需求的转向力需要有品质感，摩擦带来的反馈使转向力既不空洞也没阻滞感，这就需要调整转向摩擦力后主观评价了。
4.2摩擦力对于转向回正力的影响分析
回正力矩减去回正阻力矩即为净回正力矩TF为TF=Ta－M式中，Ta为总转向回正力矩（包括定位回正力矩和侧向力回正力矩）；M为总回正阻力矩（转向系统中的摩擦阻力矩和路面与轮胎之间的摩擦阻力矩）。当TF大于零时，转向系统可自动回正。
在不考虑EPS系统影响的情况下，汽车中、低速行驶时，车轮的回正力矩一般都能使车轮回正，即TF>0。但安装了EPS系统之后，电机和减速机构的引入增大了转向系统的惯性、阻尼和摩擦（设EPS系统引入的阻力矩为M1），可能会造成汽车低速行驶时转向回正不足。因此要提高安装EPS系统车辆的回正性能，就要设法消除M1的影响。
5效果验证
5.1改善摩擦后转向力变化
转向系统摩擦力矩减小约1.5N·m后，转向力阻滞感明显下降，力矩表现为圆润，具有质感，驾驶时转向轻便舒适。
5.2改善摩擦后转向回正变化
转向系统摩擦力矩减小后，左右转向回正残余角均有减小，同时，微调软件回正控制后使回正残余角小于15°，符合本车设计要求，见表2。
结语：
汽车转向系统摩擦会影响转向力的感觉及转向回正性能，并严重影响驾驶员的驾驶心情和情绪，需加以控制和改善。对某车型采取优化转向系统摩擦来改善转向系统性能，通过对比优化前后的转向力感觉及转向回正性能，表明该措施对转向系统性能改善明显。
参考文献：
[1]徐宇航.汽车转向系统摩擦分析优化[J].科技创新与应用，2014（10）
[2]欧阳永和.浅析汽车线控转向系统[J].内燃机与配件，2018（03）
[3]周昌彬.线控转向下汽车转向系统技术的研究[J].内燃机与配件，2018（01）